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Uma característica imprevista em colisões próton-próton, observada anteriormente pelo experimento CMS no Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN, foi agora confirmada por seu experimento irmão, o ATLAS. O resultado, divulgado ontem na conferência de Física de Altas Energias da Sociedade Europeia de Física, em Marselha, sugere que os quarks top – as partículas elementares mais pesadas e de vida mais curta – podem se emparelhar momentaneamente com suas contrapartes de antimatéria para produzir um "estado quase ligado" chamado topônio. Novos dados, baseados em cálculos teóricos complexos da força nuclear forte – chamados cromodinâmica quântica (QCD) – permitirão aos físicos compreender a verdadeira natureza dessa dança elusiva.
Colisões de alta energia entre prótons no LHC produzem rotineiramente pares quark-antiquark top. Medir a probabilidade, ou seção transversal, desse processo é um teste importante do Modelo Padrão da física de partículas e uma maneira poderosa de buscar a existência de novas partículas que não são descritas pela teoria.
No ano passado, pesquisadores do CMS estavam analisando uma grande amostra de dados de produção de quarks top-antiquarks coletados entre 2016 e 2018 em busca de novos tipos de bósons de Higgs quando observaram algo incomum. A equipe observou um excesso de pares quarks top-antiquarks, o que é frequentemente considerado um indício da presença de novas partículas. Curiosamente, o excesso apareceu na energia mínima necessária para produzir tal par de quarks top. Isso levou a equipe a considerar uma hipótese alternativa de algo que há muito tempo era considerado muito difícil de detectar no LHC: uma união de curta duração de um quark top e um antiquark top.
O quark top é tipicamente solitário. Enquanto outros quarks podem se unir para formar estados ligados chamados hádrons, o tempo de vida extremamente curto do quark top significa que ele normalmente decai quase instantaneamente – desaparecendo antes de poder formar um estado ligado. Mas a mecânica quântica permite que o par quark-antiquark top sobreviva ocasionalmente por tempo suficiente para que, se produzidos quase em repouso um em relação ao outro, possam trocar glúons (mensageiros da força forte) que os unem ao estado topônio.
Baseando-se em uma hipótese simplificada de produção de topônio, o CMS mediu a seção transversal para o excesso quark-antiquark top em 8,8 picobarns (pb), com uma incerteza de cerca de 1,3 pb. Isso ultrapassou o nível de certeza "cinco sigma" necessário para reivindicar uma descoberta na física de partículas e tornou extremamente improvável que o excesso sobre a previsão baseada apenas no fundo seja apenas uma flutuação estatística.
“A observação de um efeito QCD não relativístico, considerado muito difícil de detectar, é um grande triunfo para o programa de experimentos do LHC”, disse o porta-voz do CMS, Gautier Hamel de Monchenault. “Aguardamos ansiosamente novas interações enriquecedoras com nossos colegas teóricos para que possamos aprender mais sobre esse fascinante aspecto do Modelo Padrão.”
Ao examinar o conjunto completo de dados da segunda rodada do LHC, coletados entre 2015 e 2018, a colaboração ATLAS observou o mesmo efeito. Os dados do ATLAS rejeitam modelos que ignoram a formação de um estado quase ligado com significância de 7,7 sigma e determinam que a seção transversal de produção do excesso quark-antiquark top é de 9,0 ± 1,3 pb, em estreita concordância com o CMS.
Embora não haja dúvidas de que um fenômeno imprevisto esteja presente nos dados do LHC, o desafio é ter certeza de sua causa subjacente. Uma possibilidade alternativa ou adicional à formação do topônio poderia ser, por exemplo, a existência de uma nova partícula com massa próxima ao dobro da do quark top, que é produzida em colisões entre glúons e decai para um par quark-antiquark top. A interpretação conclusiva desse novo fenômeno dependerá da modelagem precisa de como quarks e glúons se comportam no ambiente complexo de colisões próton-próton de alta energia, envolvendo cálculos de QCD de última geração.
“Por muito tempo, considerou-se experimentalmente inviável medir esse efeito sutil no LHC, uma vez que eventos próximos ao limiar de produção representam apenas uma pequena fração dos pares superiores produzidos e são difíceis de detectar nos dados”, disse o porta-voz do ATLAS, Stéphane Willocq. “No entanto, graças à riqueza de dados próton-próton registrados durante a Execução 2 do LHC e aos avanços nas técnicas de análise, essa suposição de longa data está agora sendo derrubada.”
Se a hipótese do topônio for confirmada, sua descoberta adicionará uma nova reviravolta à história dos quarkônios – quarkônio é um termo para estados instáveis formados a partir de pares de quarks pesados e antiquarks do mesmo tipo. O carmônio (charm-anticharm) foi descoberto em 1974, dando início à "Revolução de Novembro" na física de partículas, e o bottomônio (bottom-antibottom) foi descoberto três anos depois, ambos em laboratórios nos Estados Unidos.
“Esses resultados impressionantes do ATLAS e do CMS comprovam que ainda há muito a aprender sobre o Modelo Padrão da Física de Partículas em altas energias”, disse Joachim Mnich, Diretor de Pesquisa e Computação do CERN. “Eles mostram que medições de alta precisão, muitas das quais jamais se imaginara serem possíveis em um acelerador de hádrons, podem revelar fenômenos notavelmente sutis que aprofundam nossa compreensão da natureza.”
Com a 3ª Rodada do LHC em andamento devendo fornecer significativamente mais dados, as colaborações do ATLAS e do CMS estão definidas para aprofundar a exploração da força forte por meio de interações quark-antiquark top no regime não relativístico.
Ligações
Colaboração ATLAS 2025 (ATLAS-CONF-2025-008): “ Observação de um aumento de seção transversal próximo ao limite de produção t¯t em colisões de √s=13 TeV pp com o detector ATLAS ”
Colaboração CMS 2024 (TOP-24-007): " Observação de um excesso pseudoescalar no limiar de produção do par de quarks top " ( Aceito para publicação em Relatórios sobre Progresso em Física)
Para saber mais, acesse o link>
Web Science Academy; Hélio R.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos de Economia, Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia Climatologia). Participou do curso Astrofísica Geral no nível Georges Lemaître (EAD), concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
Em outubro de 2014, ingressou no projeto S'Cool Ground Observation, que integra o Projeto CERES (Clouds and Earth’s Radiant Energy System) administrado pela NASA. Posteriormente, em setembro de 2016, passou a participar do The Globe Program / NASA Globe Cloud, um programa mundial de ciência e educação com foco no monitoramento do clima terrestre.
>Autor de cinco livros, que estão sendo vendidos nas livrarias Amazon, Book Mundo e outras.
Livraria> https://www.orionbook.com.br/
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